▸ 논문명: High charge carrier mobility of 2.5 cm²V^-1s^-1 from water-borne colloid of polymeric semiconductor via smart surfactant engineering.

▸ 특허명: 비이온 계면활성제를 포함하는 콜로이드 조성물 및 이의 제조 방법

▸ 저자 정보: 정대성(교신저자, 중앙대 교수), 김윤희(공동 교신저자, 경상대 교수), 조장환(제1저자, 중앙대 석사과정)

1. 연구의 필요성

가. 유기반도체는 유기체(탄소와 탄소 화합물)로 만들어진 반도체로, 현재 주로 쓰이는 실리콘 반도체보다 가볍고 유연하며 적은 비용으로 제작이 가능해 유기발광 다이오드(OLED)* 등 차세대 디스플레이 기기 등에 활용되고 있다.

* 유기발광다이오드(OLED): 발광다이오드(LED)는 반도체 자체로부터 발광되는 빛을 이용하는 영상표시장치인데, 이 때 발광이 되는 반도체 소재가 유기반도체인 다이오드를 의미함

나. 유기반도체로 다이오드와 같은 장치를 구현하려면 고체 형태로 제조된 유기반도체를 녹여서 필름(박막)으로 성형해야 한다. 이 과정에서 유기반도체를 고르게 분산시켜 녹이기 위해 유기용매*를 활용하는데, 이 용매는 근본적으로 내부 부식성과 인체 유해성이 있어 환경규제와 비용을 고려할 때 이를 대신할 친환경 용매가 필요한 상황이다.

* 유기용매: 대부분 탄소를 기본 골격으로 이루어져있고 기름이나 지방을 잘 녹이며 쉽게 증발하는 것이 특징이며, 구성물질의 특성상 높은 수준의 유독성을 지니고 있음

다. 이에 따라 물과 같은 친환경 용매를 활용하기 위한 연구가 이루어졌다. 이를 통해 계면활성제*를 활용하면 반도체를 물에 녹일 수 있음이 밝혀졌으나, 이 때 활용한 이온성 계면활성제는 반도체 박막 형성 후에도 활성제가 일부 내부에 남게 되어 전하 이동을 저해하는 문제가 있었다.

* 계면활성제: 한 분자 안에 ‘물과 친한 친수성기’와 ‘기름과 친한 소수성기’를 가지고 있어서 기름과 물을 잘 섞이게 해주는 물질

2. 개발 원리

가. 연구진은 기존 연구에 활용된 적이 없었던 ‘비이온성 계면활성제’를 새로운 구조로 개발하여 활용할 경우, 기존 이온성 계면활성제의 한계를 극복할 수 있을 것이라 보았다.

나. 연구진은 에틸렌글리콜*을 친수성 영역으로 하고 탄소사슬을 소수성 영역으로 하는 비이온성 계면활성제를 개발하였다. 이 활성제를 활용하여 유기반도체 박막을 제작하자, 박막 형성 후에 활성제가 손쉽게 떨어져 나가 전하의 흐름을 유지시키는 것을 확인했다.

* 에틸렌글리콜(ethylene glycol, C2H5O-): 탄소 2개 당 1개씩 산소(O)가 섞여있는 사슬구조로, 사슬 끝에 알코올기(OHD)가 달려있어 물에 잘 녹는 특성이 있음(친수성)

3. 연구 성과

가.     본 연구를 통해 개발한 비이온성 계면활성제를 사용해 유기반도체를 물에 분산시킴으로써, 물로부터 고성능 유기반도체 박막 제조에 성공했다.

나. 이 유기반도체 박막을 구동한 결과 높은 전하이동도(2.5 cm²/Vs)를 보였고, 이는 기존의 유기용매로 만들어진 유기반도체뿐만 아니라 실리콘 등의 무기 반도체와 비교했을 때에도 유사한 수준이다.